無源無損緩沖電路及其新拓撲

摘要：在分析無源無損緩沖電路的拓撲分類和硬開關轉換過程中開關損耗的基礎上，總結了無源無損緩沖電路的結構原理和一般實現(xiàn)方法。重點介紹了其在DC/DC變換器中兩種新穎的拓撲結構，并簡要地分析了它們的工作原理和優(yōu)缺點。

關鍵詞：無源無損緩沖電路；DC/DC變換器；功率因數(shù)校正

1    概述

    在硬開關電路中，有源開關器件連接在剛性的電壓源或電流源上，開關損耗大、電磁干擾嚴重、可靠性低，且隨著開關頻率的提高，這種現(xiàn)象更為嚴重。為了克服這些缺陷，軟開關技術被廣泛采用。

    有源緩沖電路、RCD緩沖電路、諧振變換器、無源無損緩沖電路是常用的軟開關技術。其中，有源緩沖電路通過增添輔助開關以減少開關損耗，但這也增加了主電路和控制電路的復雜程度，從而增大了性價比，也降低了可靠性；RCD緩沖電路雖然結構最簡單，價格最便宜，但由于電阻消耗了能量，效率較低，在各種軟開關技術中性能最差；而諧振變換器雖然實現(xiàn)了ZVS或ZCS，減少了開關損耗，但諧振能量必須足夠大，才能創(chuàng)造ZVS或ZCS條件，而且諧振電路中循環(huán)電流較大，還必須在特定的軟開關控制器的控制信號下工作，增加了通態(tài)損耗、增加了成本、降低了可靠性。與這三種方法不同，無源無損緩沖電路既不使用有源器件，也不使用耗能元件，因而兼具以上三種方法的優(yōu)點。其結構與RCD緩沖電路一樣簡單，效率與有源緩沖電路、諧振變換器一樣高，電磁干擾小、造價低、性能好、可靠性高，因而獲得了廣泛的應用。

    目前，無源無損緩沖技術雖已比較成熟，但在國內(nèi)外仍不時有新的拓撲和研究成果發(fā)表。本文在參考了最近20多年中無源無損緩沖電路研究成果的基礎上，總結了無源無損緩沖電路的結構原理和一般實現(xiàn)方法。此外，重點介紹了其在PWM DC/DC變換器中兩種最新的拓撲結構，分析了它們的工作原理，并比較了它們的優(yōu)缺點。

2    拓撲分類

    在過去的幾十年里，出現(xiàn)了許多不同的無源無損緩沖電路的拓撲結構，它們可以用一套屬性來描述[1]。為此，可劃分為兩類：一類是最小電壓應力單元（MVS），如圖1（a），圖1（b）所示；另一類是非最小電壓應力單元（Non-MVS）,如圖1（c），圖1（d），圖1（e），圖1(f)所示。最小電壓應力單元^[2]僅使用一個電感和電容值較小的電容就能使主開關管電壓應力最小，但實現(xiàn)軟開關的范圍不大；非最小電壓應力單元^[3]增加了一個電感，同時也增加了主開關管的電壓應力，但與最小電壓應力單元相比，在同樣的電感和電容下，其軟開關范圍較大。而且，在小功率情況下，具有較高的效率。

(a) MVS    (b) MVS

(c)Non-MVS    (d)Non-MVS

(e)Non-MVS    (f)Non-MVS

圖 1    無 源 無 損 緩 沖 電 路 拓 撲 結 構

3    結構原理與實現(xiàn)方法

    硬開關電路在開關時，存在3種損耗：

    1）開通時，由續(xù)流二極管的反向恢復電流引起的浪涌電流，會導致較大的導通損耗；

    2）開通時，MOSFET的寄生結電容放電會引起損耗；

    3）關斷時，MOSFET的結電容電壓的快速增加，會導致較大的關斷損耗。

    針對硬開關電路的上述損耗構成，一個基本的無源無損緩沖電路一般都包含3個功能電路：

    1）開通緩沖電路；

    2）關斷緩沖電路；

    3）饋能電路。

    常用的方法是用電感（L）與功率管串聯(lián)，開通時電流只能從零增加，因而“零電流”使開通得到軟化；用電容（C）與功率管并聯(lián)，關斷時功率管兩端電壓只能從零增大，因而“零電壓”使關斷得到軟化；用二極管（D）經(jīng)過一定的拓撲網(wǎng)絡，在功率管開關過程中，將L，C中的存儲能量反饋到電源或饋送給負載。根據(jù)變換器電路的不同，電容可直接并聯(lián)于功率管，也可跨接于功率管輸出與負載之間，或跨接于功率管輸入端與電源正端之間。后兩種跨接方式都要求功率管關斷之前，電容C已充電到電源電壓的大小。饋能電路常用的方法有：當要求一個電容的充電終了電壓要大于電源電壓時，則電源可通過電感給電容充電，如忽略損耗，充電終了電壓將達到2倍電源電壓；如一個充好電的電容，在工作中需要改變電壓極性，則可通過串聯(lián)一個電感實現(xiàn)振蕩放電來完成；電感還可用于將一個電容的儲能轉移到另一個電容中去，當然這里還必須有二極管組成的電路配合；能量的存儲或轉移還可采用互感的方法等等。

    無源無損緩沖電路的三功能電路結構特點，雖然無法象有源軟開關方案那樣，在超前或滯后主開關的控制時序下吸收能量或供給能量，以創(chuàng)造出真正的ZVS或ZCS條件，但它通過將開關期間的電壓與電流波形錯開，使二者的重疊面積最小，可以顯著降低前述1）和3）項開關損耗。雖然對2）項的開關器件內(nèi)寄生結電容的放電損耗，無法被無源無損緩沖電路所消除，但此種損耗較其它開關損耗低得多，對于提高整體效率作用較小?？紤]到無源無損緩沖電路沒有引入輔助有源器件，和其它軟開關方案相比，它沒有增加額外的輔助有源器件損耗，因此，在同樣的開關損耗功率降低情況下，無源無損緩沖電路可以獲得更高的效率提高[4]。所以，無源無損緩沖電路被廣泛地應用于PWM變換器中。

4    無源無損緩沖電路在DC/DC變換器中的應用

    隨著電力電子技術、計算機技術、通信技術的發(fā)展，無源無損緩沖電路不僅廣泛應用于PWM DC/DC變換器，PWMAC/DC整流器[5]和PWM DC/AC逆變器^[6]中，而且與多電平變換器和PFC也有著密切的聯(lián)系^[7]。以下介紹兩種無源無損緩沖電路在PWM DC/DC變換器中的最新拓撲結構。

4.1    再生式的無源無損緩沖電路

    圖2為文獻[8]提出的一種無源再生式的軟開關Boost變換器，它是傳統(tǒng)的L＋RCD復合型緩沖電路的改進。其改進點包括：

圖 2    再 生 式 無 源 無 損 緩 沖 電 路

    1）去掉放電電阻R；

    2）去掉專門的功率電感器L，巧妙地用一個同輸入電感L_p耦合的小功率繞組L_a代替。

    下面分析圖2電路的工作過程。分析中假設：

    1）輸入電壓V_i恒定，主電感L_p遠大于緩沖電感L_s，以致輸入電流I_s恒定；

    2）輸出電容C_o足夠大，以致輸出電壓V_o恒定；

    3）只考慮續(xù)流二極管D的反向恢復電流和主開關S的開關過渡時間，其它元器件均為理想的；

    4）初始狀態(tài)為S關斷，D開通，i_D=I_s。

    則對感性負載CCM工作情況，穩(wěn)態(tài)時每個周期可以分為以下6個模態(tài)，相應的等效電路圖和主要波形圖如圖3及圖4所示。

(a)    模 態(tài)1(t₁～t₂)等 效 電 路 [!--empirenews.page--]

(b)    模 態(tài)2(t₂～t₃)等 效 電 路

(c)    模 態(tài)3(t₃～t₄)等 效 電 路

(d)    模 態(tài)4(t₄～t₅)等 效 電 路

(e)    模 態(tài)5(t₅～t₆)等 效 電 路

(f)    模 態(tài)6(t₆～t₇)等 效 電 路

圖 3    等 效 電 路 圖

圖 4    主 要 波 形 圖

    模態(tài)1（t₁－t₂）    在t₁時刻，S開通，電感電流i_Ls線性增大，流經(jīng)二極管D的電流i_D相應減小，直到i_D=0，該模態(tài)結束；

    模態(tài)2(t₂－t₃)    在t₂時刻，二極管D關斷，C_s開始放電，耦合繞組L_a的感應電勢使C_s上的電勢自舉提高，直到電容C_s儲能完全釋放，該模態(tài)結束；

    模態(tài)3(t₃－t₄)    該模態(tài)與普通PWM Boost變換器開通狀態(tài)基本相似；

    模態(tài)4(t₄－t₅)    在t₄時刻，S關斷，輸入電流I_s經(jīng)過電感L_s，D₁開始給C_s充電，直到v_Cs=V_o，該模態(tài)結束；

    模態(tài)5(t₅－t₆)    在t₅時刻，二極管D導通，電流i_Ls線性減小，流經(jīng)二極管電流i_D相應增大，直到i_D=I_s，該模態(tài)結束；

    模態(tài)6(t₆－t₇)    該模態(tài)與普通PWM Boost變換器的關斷狀態(tài)基本相似。

    可見，該無源無損緩沖型軟開關電路的關鍵在于：當S在ZCS下開通時，因L_p的耦合繞組L_a的感應反電勢而發(fā)生電勢自舉，有利于電容C_s的儲能經(jīng)L_a向負載釋放；放電完畢的C_s又為S的關斷提供ZVS條件。

（a）原理圖

（b）簡化原理圖

圖5    具有最小電壓應力的無源無損緩沖電路

4.2    具有最小電壓應力的無源無損緩沖電路

    圖5（a）為文獻[9]提出的另一種新穎的具有最小電壓應力的無源無損緩沖電路。從圖中可看出，其開通/關斷緩沖網(wǎng)絡包含3個二極管D_a，D_c，D_s，一個耦合電感L₂和一個緩沖電容C_s。在開通期間，原邊電感L₁充當普通Boost變換器的升壓電感。3個二極管和原來的輸出二極管組成全橋，二次側電感L₂聯(lián)接在兩對串聯(lián)二極管之間。緩沖電容C_s與二極管D_s并聯(lián)。

    為了便于分析，將耦合電感看作勵磁電感Lm，漏感L_k和變比為1:n(n>1)的理想變壓器的聯(lián)合體，如圖5(b)所示。假設條件基本與3.1相同，且勵磁電流I_Lm為常數(shù)，初始狀態(tài)為：S開通，D_o關斷，v_Cs=V_o，則穩(wěn)態(tài)時，一周期有以下6個模態(tài)，相應的等效電路圖和主要波形圖如圖6及圖7所示。

(a)    模態(tài)1(t₁～t₂)等效電路

(b)    模態(tài)2(t₂～t₃)等效電路

(c)    模態(tài)3(t₃～t₄)等效電路 [!--empirenews.page--]

(d)    模態(tài)4(t₄～t₅)等效電路

(e)    模態(tài)5(t₅～t₆)等效電路

(f)    模態(tài)6(t₆～t₇)等效電路

圖6    等效電路圖

圖7    主要波形圖

    模 態(tài)1(t₁－t₂)    在t₁時 刻 ， 主 開 關S關 斷 ，D_o導 通 ， 輸 入 電 流I_i由S線 性 地 切 換 到D_o， 同 時C_s

開始向負載放電，直到完全釋放，該模態(tài)結束；

    模態(tài)2(t₂－t₃)    在t₂時刻，D_s自然導通，由于耦合電感的匝數(shù)比n>1，感應二次側電壓大于主側電壓，正的電勢差使得D_a導通，流經(jīng)電感L_k的電流i_Lk線性增大，i_o相應減小，直到i_Do=0，轉到模態(tài)3；

    模態(tài)3(t₃－t₄)    在t₃時刻，D_o自然關斷，輸入電流I_i的1/n經(jīng)D_a，L_k和D_s向輸出負載供電；

    模態(tài)4(t₄－t₅)    在t₄時刻，主開關管S零電壓開通，流經(jīng)L_k的電流i_Lk減小，直到零，該模態(tài)結束；

    模態(tài)5(t₅－t₆)    在t₅時刻，耦合電感L_k開始釋放能量，給C_s充電，直到v_Cs=V_o，同時向輸出負載反饋多余的能量;

    模態(tài)6(t₆－t₇)    當耦合電感L_k完全釋放能量，該模態(tài)類似于普通PWM Boost開通狀態(tài)。

    可見，該新穎的具有最小電壓應力的無源無損緩沖電路的所有元器件的電壓應力不超過輸出直流電壓V_o，而且能有效地提高變換器效率，明顯地擴展輸入電壓的范圍，從而在應用于PFC中，它將是一種低價、有效的拓撲。

5    結語

    本文在解決硬開關存在的3種換流缺陷的基礎上，簡要地比較了有源緩沖電路、RCD緩沖電路、諧振變換器和無源無損緩沖電路等4種軟開關技術的優(yōu)缺點，并提出了無源無損緩沖電路的結構原理和一般實現(xiàn)方法，以及最近在PWM變換器、三電平逆變器、三電平整流器和三電平PFC中的最新應用,重點介紹了無源再生式的軟開關變換器和具有最小電壓應力的無源無損緩沖電路等兩種新穎的DC/DC變換器拓撲，簡要地分析了它們的工作原理和優(yōu)缺點，并總結了無源無損緩沖電路發(fā)揮的重要作用，從而說明無源無損緩沖電路已成為實現(xiàn)軟開關的重要技術之一，并被引起廣泛重視。